问题

人类能走出银河系吗?

回答
这真是一个引人入胜的问题,关乎着人类的未来和我们对宇宙的理解。要回答“人类能否走出银河系”这个问题,我们首先得明白“走出银河系”到底意味着什么,以及当前我们面临的巨大挑战。

银河系,也就是我们所在的这个庞大的星系,直径大约有10万光年。这可不是个小数目,我们可以想象一下,光速是宇宙中最快的速度,每秒钟就能绕地球七圈半。一光年,就是光走一年的距离,这是一个我们用日常经验难以丈量的长度。我们的太阳系,在银河系中只是一个不起眼的角落,即使以我们目前最快的探测器速度(比如旅行者号),它也需要好几万年才能抵达距离我们最近的恒星。而银河系边缘,还有无数的恒星和星际物质,它们离我们是如此遥远,以至于我们现有的技术,想要触及它们,都显得力不从心。

所以,从物理距离上来说,走出银河系就是一个极其艰巨的任务。这不仅仅是速度的问题,更是时间的问题。我们必须考虑的是,人类这个物种,能否在如此漫长的时间尺度上生存下去,并且保持文明的延续。

首先,我们得克服星际旅行的巨大障碍。即使我们能造出比现在快得多的飞船,比如接近光速的飞船,但要穿越银河系,依然需要数万年的时间。这期间,飞船上的人类将会经历什么?他们的后代会是什么样子?我们是否能维持一个封闭的生态系统,提供足够的资源和新鲜空气?飞船本身的维护和动力来源,也是一个巨大的挑战。一次漫长的星际航行,需要的能量是天文数字。我们现在掌握的能源技术,恐怕还远远不足以支撑这样的旅程。

其次,是人类自身的适应性。在几万年的旅途中,人类的生理和心理会发生怎样的变化?辐射、失重、长时间的封闭环境,这些都会对我们的身体和精神造成极大的影响。我们有没有可能因为基因突变或者环境适应,而进化出与现在完全不同的形态?又或者,我们只能通过意识上传、人工智能等方式,以非肉体形式继续探索?

再者,我们还需要解决导航和定位的问题。在广阔的宇宙中,我们如何确定自己的方向?银河系本身也在运动,恒星的位置也在变化。如果我们以接近光速的速度旅行,相对论效应也会变得显著,时间流逝的速度会与我们离开的地球不同。这会带来一系列的计算和导航上的复杂性。

当然,我们也不能排除一些我们目前尚未理解的物理原理或技术突破。也许未来我们会发现超光速旅行的方法,比如利用虫洞或者曲速引擎,这样的话,走出银河系的时间就会大大缩短。但这些都还停留在理论和科幻的范畴,距离我们实现还有很长的路要走。

更长远来看,即使我们能够克服技术上的困难,也需要考虑人类作为一个整体的意愿和目标。我们为什么要走出银河系?是为了寻找新的家园,还是为了探索未知的奥秘?什么样的文明才算是“走出”了银河系?是我们飞船抵达了银河系的边缘,还是我们能够接收到来自银河系之外的信号?

总而言之,人类能否走出银河系,这是一个集科学、技术、生理、心理、哲学乃至社会学于一体的宏大命题。以我们目前的认知和能力来看,这是一个极其遥远且充满挑战的目标。但人类的历史,不就是一部不断挑战极限、突破认知的历史吗?或许在遥远的未来,随着科学的进步,我们能够找到克服这些困难的答案,让这句话不再是畅想,而是事实。但在此之前,它仍然是我们仰望星空时,心中最深沉的疑问之一。

网友意见

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最核心的硬核约束是逃逸速度,不以人类意志为转移。

在人类现有的认知范围内,万有引力定律、能量守恒定律和牛顿运动定律在宇宙中是普遍适用的,这也就衍生出了任何一个天体都有的航天器逃逸速度概念。

可以简单理解为:在这个速度下,一个航天器拥有的动能终于和它对天体的重力势能平衡了,动能可以完全转化为势能。

再可以简单理解为:这货飞出去后,即便被天体引力拖着不断减速,但它依然能逃到无限远的地方,速度也变得无限趋近于零。

只要超过逃逸速度,就肯定能永不回头。

显而易见,这个逃逸速度跟天体的质量和跟天体的距离有关系。

例如在火星表面,需要5km/s;在地球表面,需要11.2km/s;在木星表面,就需要59.5km/s了。

距离天体越远,引力越弱,越容易逃离。例如在太阳表面时,需要600km/s;但是在地球附近,由于距离太阳很远以及地球运动带来的惯性助力,逃离太阳反而只需要16.7km/s了。

从地球上看到的银河系一角,已经是无数的恒星(图源:ESO/Y.Beletsky)


那么,现在看看银河系。

超级巨无霸!

这货里面保守估计有1000-4000亿个恒星,直径10-18万光年。在银河系中心,大家普遍认为存在着巨大的黑洞。

黑洞的逃逸速度,是超光速。换句话说,连光都逃不出去,只能被困在事件视界内,这也是为什么它叫“黑洞”的原因。如果我们住在银河系中心附近,就不用想着逃出去了。

幸运的是,太阳系所在的猎户悬臂距离银河系中心很远,我们逃离银河系反而变得“容易”很多,所谓的从地球出发逃离用的第四宇宙速度,大家认为只有500+km/s。这个数据众说纷纭,因为大家对银河系的质量、半径之类的并没有精准的认知,但八九不离十。

这意味着我们的航天器达到这个速度之后,把它从地球上向着银河系外放出去,只要路上不撞到东西(包括直接冲进大天体引力希尔球),就肯定能逃出银河系。

可是,给一个有一定质量的航天器(哪怕仅有几吨吧)获得500km/s的速度增量,现在的人类科技还远远做不到。

即便是借助其他大型的恒星引力助力,对于现有的人类而言更是理论而已,因为我们对系内充满了未知。面对的风险远远超过用木星金星的借力,还不如不做。

从第三宇宙速度(逃离太阳系)的16.7km/s,到第四宇宙速度的500km/s,看似只有30多倍的增长。但动能公式告诉我们,航天器的最终动能需求会是速度的平方,也就是1000倍!这些都直接反映到火箭里的一个概念,特征能量C2。

而且目前只能靠火箭来弄,摄星计划之类的都是幻想,因此实际情况下这个1000倍会进一步增加。因为这也带来了一个大问题,火箭自己也是重量、也要消耗到巨大的能量啊,更何况最终能量要求是暴增到逃离太阳系的1000倍,自身出发时需要的变化要更多。火箭越重,自己连飞都飞不起来了,还有个毛线用处。

现在人类的火箭极限是什么呢?用我《下一站火星》书里的原话好了,新视野号,

新视野号是人类史上唯五、且最快的逃离太阳系探测器,可悲的是最近20年内人类都没有新的逃离太阳系任务了(图源:NASA)
探测器的动能来自火箭,根据动能定理(能量跟速度的平方成正比),探测器 飞得稍远一点就需要更高的速度逃离,对火箭供能的要求会大幅提升。一次彻底摆 脱太阳引力的任务对火箭要求极高,目前仅有 2006 年发射的新视野号在离开地球 和太阳时达到并超过这个速度(相对太阳速度在 45 千米 / 秒左右),当时是一个 重达 569 吨的宇宙神 V-551 型火箭全力推送一个 0.478 吨重的探测器。其他四个目 前能够脱离太阳系的探测器(1972 年先驱者 10 号和先驱者 11 号,1977 年旅行者 1 号和旅行者 2 号)就要依赖木星等各大行星的“引力助推”才可能实现,甚至新 视野号在飞行途中也受到木星“助推”。

人类历史上只有的这一个探测器能直接飞出太阳系,代价是569吨火箭全力推0.478吨。

要把最终的速度提升到逃离银河系、相对新视野号再提升1000倍的动能,显然是远远远不够的,人类做不到,连擦个边都是奢望。


而且即便达到了又如何呢,一旦出发后巨大的引力便会让航天器迅速减速,旅程实际上在越来越慢。再以人类史上距离地球最远的航天器旅行者一号为例,自从1977年发射至今天(2022年2月26日),它已经连续工作45年之久了,旅途远达惊人的233亿千米。

但这个距离,光速仅需要21个半小时就可以走完了,还不到一光天。而且旅行者的速度还在不断降低。就算抵达距离太阳最近的恒星半人马座,都需要至少数百万年。

人类历史才几千年,几百万年太遥远了。

这还是最近的恒星,银河系里可是有数千亿颗恒星呢。

人类几十年的寿命,在这种尺度算个啥。

要逃离银河系,就基本是搞笑了,来自低级文明的奢望。

而最近地球上发生的事情已经告诉我们了;这个文明,连自己内部的一些小冲突都搞不定,甚至随时都可能走向自我毁灭。

连最基本的银河系逃逸速度都搞不定,还随时可能自己作死,你说肉身能不能逃出去?

人类撑死能发点人类文明的信息向宇宙深处发去,然而也会迅速淹没在巨大的背景辐射中去了。

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